20CrMoH鋼的真空低壓滲碳工藝模擬及優(yōu)化

王碩彬， 叢培武， 陳旭陽， 范 雷， 王 同

(北京機電研究所有限公司， 北京 100083)

在真空條件下對工件進行滲碳，可以有效避免滲層因晶間氧化而出現(xiàn)黑色組織和表面脫碳現(xiàn)象，能夠改善工件的性能，使工件從表面到心部形成一定的碳濃度梯度，滿足工件表層高硬度、高耐磨性且心部具有良好的塑性與韌性，即“外硬內(nèi)韌”的工藝要求。真空低壓滲碳工藝靈活、生產(chǎn)成本低，同時較環(huán)保。滲碳后工件表層奧氏體中碳濃度快速飽和，克服了普通氣體滲碳的缺點，具有滲層均勻性好、滲層組織優(yōu)良、表面碳濃度波動性小、自動化程度高、環(huán)境污染小等特點[1-3]。美、德、日等發(fā)達國家的真空低壓滲碳工藝已經(jīng)比較成熟，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，而我國在真空低壓滲碳工藝的研究方面還相對落后。基于擴散原理和工藝控制路徑，采用工藝軟件和試驗結(jié)合的方式將會是未來真空低壓滲碳工藝優(yōu)化的新思路。

20CrMoH鋼具有良好的力學(xué)性能和相對經(jīng)濟的特點，被廣泛應(yīng)用于制造中小模數(shù)齒輪、軸類等，例如汽車后橋齒輪和變速箱齒輪。該低碳合金鋼由于含有Mo元素，具有良好的淬透性。同時這種材料冶煉工藝穩(wěn)定，熱變形較小，無回火脆性，滲碳和碳氮共滲工藝性良好。但是其摩擦學(xué)性能較差，在使用現(xiàn)場容易出現(xiàn)磨損故障。因此本文選用20CrMoH鋼作為驗證優(yōu)化低壓滲碳軟件工藝的試驗材料。

1 試驗材料

試驗材料20CrMoH鋼的主要化學(xué)成分如表1所示。

采用圖1所示3種試樣，試樣1為φ25 mm×10 mm齒形滲碳試樣，試樣2為規(guī)格約φ66 mm×30 mm的錐齒輪產(chǎn)品，試樣3為φ38 mm×100 mm圓棒。試樣1和試樣2 用于對比驗證軟件預(yù)測滲層深度的誤差，試樣3用于驗證軟件對滲層表面碳含量的預(yù)測。

2 滲碳工藝模擬軟件和設(shè)備

2.1 真空滲碳工藝軟件

真空低壓滲碳工藝軟件是一款服務(wù)于工業(yè)熱處理生產(chǎn)的軟件，具備工藝計算和工藝數(shù)據(jù)庫兩大功能模塊。該軟件是一款基于Fick 第二定律和飽和值調(diào)整法工藝控制路徑，結(jié)合真空低壓滲碳工藝編寫而成的算法計算程序。如圖2所示，在計算功能中，只需輸入工件的基本信息(工件編碼、材料、滲碳溫度、有效厚度、工件表面積、工件數(shù)量)、計算參數(shù)(飽和碳含量、擴散碳含量、最終碳含量)和滲層深度等，就能通過計算自動生成工件的滲碳工藝參數(shù)，包括加熱時間、保溫時間、滲碳壓力、C2H2流量、滲碳時間、擴散時間等，并自動將數(shù)據(jù)存儲至工藝數(shù)據(jù)庫。在工藝數(shù)據(jù)庫功能中，可以查看計算得到的真空滲碳工藝數(shù)據(jù)和相關(guān)曲線，試驗驗證后可修正工藝數(shù)據(jù)，豐富完善滲碳工藝數(shù)據(jù)庫。

圖2 真空低壓滲碳工藝軟件工藝計算界面Fig.2 Process calculation interface of low-pressure carburizing process software

2.2 滲碳試驗設(shè)備

本文所有的滲碳試驗均在WZSTQ45型真空滲碳設(shè)備(見圖3)上完成，該設(shè)備主體為臥式雙層水冷結(jié)構(gòu)，由爐體、爐膽、熱閘閥、滲碳氣氛控制系統(tǒng)、送取料機構(gòu)、淬火機構(gòu)、真空系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)及裝出料小車組成[4]。其主要參數(shù)如表2所示。

圖3 真空滲碳設(shè)備Fig.3 Vacuum carburizing equipment

表2 真空滲碳設(shè)備的主要參數(shù)

3 工藝設(shè)計

真空滲碳工藝過程主要包括3個階段，工藝曲線如圖4所示。

圖4 真空滲碳工藝曲線Fig.4 Process curve of the vacuum carburizing

加熱保溫階段：真空爐將試樣以22 ℃/min 加熱至650 ℃預(yù)熱，保溫一段時間，再升溫至滲碳溫度均熱，使組織奧氏體化；本次試驗選用常用的滲碳溫度930 ℃和960 ℃。

滲碳階段：滲碳壓力為800 Pa，采用滲碳脈沖方式(一個脈沖滲碳包括充氣+保壓+抽氣)向爐膛內(nèi)充入高純乙炔(C2H2)氣體，充氣時間26 s，保壓時間 20～25 s。在真空低壓滲碳工藝軟件中，利用飽和值調(diào)整法，將滲碳過程細分為多個小的滲碳期和擴散期，避免了傳統(tǒng)的一段式或兩段式滲碳導(dǎo)致的表面碳化物級別過高的問題[5]。

淬火階段:先將試樣冷至850 ℃再進行油淬，之后進行回火處理。

4 軟件模擬與試驗驗證

按前述真空滲碳工藝參數(shù)的選擇，以20CrMoH鋼為試驗材料，對比分析滲層深度和表面碳含量的軟件預(yù)測結(jié)果和試驗檢測結(jié)果?？偣策M行7爐次滲碳試驗，試驗采用的滲碳和擴散脈沖時長通過滲碳軟件的飽和值調(diào)整法獲得，方案A、D、F是最初設(shè)計試驗方案，B、C、E、G是在該基礎(chǔ)上進行的調(diào)整方案。滲碳和擴散時間由滲碳軟件模擬獲得并向上取整，如表3所示。

表3 真空滲碳工藝方案

4.1 有效硬化層深度

有效硬化層即滲層深度是滲碳零件的重要檢驗指標(biāo)。根據(jù)GB/T 9450—2005《鋼件滲碳淬火硬度層深度的測定和校核》規(guī)定，以試樣顯微硬度550 HV處到表面距離定義為滲碳層的有效硬化層深度。首先，選960 ℃為滲碳溫度，設(shè)計有效滲層深度 0.8 mm。采用工藝軟件計算得到滲層深度為0.82 mm，滲碳和擴散總時長為160 min(方案A)。按照方案A進行真空滲碳試驗，檢測齒形試樣和錐齒輪試樣得到有效硬化層深度值，與預(yù)測值偏差為+0.20 mm、+0.29 mm。因為偏差較大，對軟件中的20CrMoH鋼屬性數(shù)值進行調(diào)整，包括富化率因子、擴散系數(shù)、脈沖有效時間。工藝在方案A基礎(chǔ)上減少原來的滲碳總時長為145 min(方案B)，然后采用工藝軟件計算得到滲層深度0.81 mm，和設(shè)計滲層深度偏差+0.01 mm。再進行一定的調(diào)整，改變擴散系數(shù)，滲碳擴散總時間降為120 min(方案C)，軟件計算得到的滲層深度為 0.79 mm。按照改進后的方案B、C，對齒形試樣和錐齒輪試樣進行真空滲碳試驗。試驗的滲層深度預(yù)測和實測結(jié)果的比較見表4，測得的試樣的顯微硬度分布曲線見圖5。

表4 不同真空滲碳方案下20CrMoH 鋼滲層深度的預(yù)測與實測結(jié)果比較

圖5 不同真空滲碳方案下20CrMoH鋼滲碳層的顯微硬度分布(a,b)方案A;(c,d)方案B;(e,f)方案C;(a,c,e)齒形樣;(b,d,f)錐齒輪樣Fig.5 Microhardness distribution of carburized layer of the 20CrMoH steel under different vacuum carburizing schemes(a,b) scheme A; (c,d) scheme B; (e,f) scheme C; (a,c,e) dentate specimen; (b,d,f) bevel gear specimen

從圖5可知，3種真空滲碳方案處理的試樣表面硬度均能達到770 HV以上。從表4可以看出，3種方案試驗測得的滲層深度都大于0.8 mm， B方案試驗與預(yù)測結(jié)果偏差在+0.23 mm以內(nèi)。而C方案的誤差更小，齒形樣和錐齒輪樣的實測滲層深度和預(yù)測滲層深度誤差降低到0.14 mm與0.10 mm，這說明C方案的工藝改進有明顯的效果，工藝更符合設(shè)計要求。相對齒形試樣，軟件對齒輪產(chǎn)品的滲碳層深度的預(yù)測值更接近實測值，準(zhǔn)確性更高。C方案的滲碳擴散脈沖總時間相比A方案減少了40 min，明顯提高了時間效率。

就滲層深度而言，兩種試樣的試驗結(jié)果都比軟件計算結(jié)果要深，原因可能有：①試驗采用的油淬，淬硬層較深。②為了保證滲碳工藝控制程序順利執(zhí)行，人為的將脈沖數(shù)向上圓整，所以試驗時的滲碳脈沖總時間比計算得到的脈沖總時間長。③軟件中材料的富化率因子、擴散系數(shù)等數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，需要進一步優(yōu)化。

對方案C滲碳后的齒形樣進行4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸酒精腐蝕處理，按照GB/T 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火組織檢驗》和GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》進行顯微組織檢驗。從圖6的滲層顯微組織可以看出，試樣經(jīng)方案C的滲碳工藝處理后表層為針狀馬氏體及殘留奧氏體，心部為低碳板條馬氏體。滲層表面碳化物為彌散分布的顆粒碳化物，評級為1級。

圖6 經(jīng)方案C真空滲碳后齒形樣的顯微組織(a)表面；(b)心部；(c)表面碳化物Fig.6 Microstructure of the dentate specimen after vacuum carburizing under scheme C(a) surface; (b) core; (c) surface carbides

4.2 表面碳含量

滲碳層表面的碳含量也是檢驗工件滲碳質(zhì)量的重要指標(biāo)。因此進行4爐次試驗的表面碳含量預(yù)測和實測結(jié)果的比較。選擇930 ℃為滲碳溫度，設(shè)計表面碳含量(0.05 mm薄層)分別為0.75%和0.95%，采用工藝軟件分別計算兩種表面碳含量的工藝曲線并進行調(diào)整得到表3中所示的4種滲碳擴散時間方案，方案E在方案D基礎(chǔ)上增加了滲碳擴散脈沖數(shù)，方案G也在方案F的基礎(chǔ)上增加了滲碳擴散脈沖數(shù)。選用圓棒試樣進行工藝試驗，根據(jù)GB/T 20123—2006《鋼鐵總碳硫含量的測定》，采用剝層法檢測試樣距表面0.1 mm 處的碳含量，分析測試結(jié)果見表5。

表5 不同真空滲碳方案下圓棒試樣表面碳含量的預(yù)測與實測結(jié)果比較(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

從表5可以明顯看出4次試驗的檢測表面碳含量都低于預(yù)測的碳含量，增加滲碳擴散脈沖，表面碳含量的增加較小。對比4次試驗，0.75%表面碳含量的預(yù)測數(shù)值與檢測結(jié)果偏差-0.02%，0.95%表面碳含量的偏差-0.13%。結(jié)果表明軟件在預(yù)測碳含量為0.75% 時接近實測，預(yù)測0.95%表面碳含量時比實測偏高。對于表面碳含量高的工藝模擬只調(diào)整滲碳脈沖數(shù)量不能滿足設(shè)計要求。這可能是由于軟件中擴散系數(shù)的計算模型不準(zhǔn)確。軟件中設(shè)置的是擴散系數(shù)與試樣中碳濃度不相關(guān)，而實際上濃度越高，擴散系數(shù)越大。此外，檢測過程存在偏差。軟件預(yù)測的是0.05 mm薄層中的碳含量，實際檢測時受限于加工條件，剝層0.1 mm檢測的碳含量。剝層時，試棒存在碳損耗。

5 結(jié)論

1) 利用真空低壓滲碳軟件模擬和試驗對比試樣滲層深度，優(yōu)化了20CrMoH鋼的滲碳工藝：在800 Pa壓力和960 ℃下滲碳，保壓25 s，滲碳時間120 min，滲碳時間比原來減少了40 min。優(yōu)化工藝后，軟件預(yù)測滲層深度與實測深度偏差在+0.23 mm以內(nèi)，預(yù)測值與齒輪試樣實測值更接近，偏差最小達到+0.10 mm。軟件預(yù)測滲層深度與實測值基本一致。該滲碳工藝處理的20CrMoH鋼試樣，組織良好，碳化物形態(tài)達到了1級。

2) 軟件預(yù)測表面碳含量為0.75%時，比較準(zhǔn)確，實測值最大偏差為-0.02%。當(dāng)預(yù)測表面碳含量為0.95%時，實測值結(jié)果明顯偏低，最大偏差為-0.13%。

3) 以20CrMoH鋼為研究對象，驗證了真空滲碳工藝軟件及數(shù)據(jù)庫技術(shù)，在工藝設(shè)計方面能夠取得較為滿意的成果，但軟件參數(shù)數(shù)據(jù)庫仍需完善，準(zhǔn)確性方面也有待進一步提升。